山东大学单片机原理与应用04定时器、串行口及中断系统

第第4章定时器、串行口及中断系统章定时器、串行口及中断系统4.1 MCS-51单片机的中断系统单片机的中断系统4.2 MCS-51单片机片内定时器单片机片内定时器/计数计数4.3 MCS-51单片机片内串行口单片机片内串行口 定时定时/计数器计数器（Timer/Counter）是单片机的一个重要组成部分，在实际的应用中，通过定时或计数可以实现很多重要的功能。 单片机应用系统中，经常需要和其它计算机进行数据通信。MCS-51片内设立了一个可编程的全双工串行通信接全双工串行通信接口口，可作为通用异步接收/发送器UART，也可作为同步移位寄存器。 中断中断是指CPU正在处理某任务的过程中，由于计算机系统内、外的某种原因，发生的某一事件请求CPU及时处理，于是CPU暂时中止当前的工作，自动转去处理所发生的事件。处理完该事件后，再返回到原来被中止的断点处继续工作，这样的过程称为中断。4.1 MCS-51单片机的中断系统单片机的中断系统4.1.1 中断的概念中断的概念4.1.1.1 中断系统的基本概念中断系统的基本概念 中断是指CPU正在处理某任务的过程中, 由于计算机系统内、外的某种原因,发生的某一事件请求CPU及时处理，于是CPU暂时中止当前的工作，自动转去处理所发生的事件。处理完该事件后，再返回到原来被中止的断点处继续工作，这样的过程称为中断中断。 当CPU正在处理一个中断请求的时候，外部又发生了一个优先级比它高的中断事件，请求CPU及时处理。于是，CPU暂时中断当前的中断服务工作，转而处理所发生的事件。处理完毕，再回到原来被中断的地方，继续原来的中断处理工作。这样的过程，称为中断嵌套中断嵌套，这样的中断系统称为多级中断系统。MCS-51具有2个中断优先级，可以实现2级中断嵌套。与中断相关的名词介绍如下：（1）中断系统：）中断系统：实现中断功能的硬件系统和软件系统统称为中断系统（2）中断源：）中断源：产生中断的请求源称为中断源。（3）中断请求：）中断请求：中断源向CPU提出的处理请求，称为中断请求或中断申请。（4）中断响应过程：）中断响应过程：CPU暂时中止自身的事物，转去处理事件的过程，称为CPU的中断响应过程。（5）中断服务：）中断服务：对事件的整个处理过程，称为中断服务（或中断处理）。（6）中断返回：）中断返回：中断处理完毕，在返回到原来被中止的地方，称为中断返回。4.1.2.2中断系统的优势中断系统的优势 中断系统是计算机的重要组成部分，中断的使用消除了CPU在查询方式中的等待现象，大大提高了CPU的工作效率，改善了计算机的性能，具体表现在以下几个方面：(1)有效地解决了快速CPU与慢速外设之间的通信矛盾,可使CPU与多个外设并行工作,大大提高了工作效率。(2) 在实时控制系统中，外设对CPU的服务请求是随机的。中断系统可以及时处理控制系统中许多随机产生的数据与信息,使系统具备实时处理的能力,提高了控制系统的性能。(3) 系统工作时会出现一些如电源断电之类的突发故障，中断系统可以使故障发生时自动运行处理程序，系统具备了处理故障的能力,提高了系统自身的可靠性。4.1.2 MCS-51中断系统的结构及中断控制中断系统的结构及中断控制4.1.2.1 MCS-51中断系统结构中断系统结构MCS-51中断系统的结构如图所示：MCS-51的中断系统有5个中断源（MCS-52有 6个），2个优先级。5个中断源分别为：（1）2个外部中断请求:外部中断0 （）、外部中断1（）,分别由从P3.2、 P3.2引脚引入,低电平有效、脉冲下降沿有效可选。（2）2个片内定时器/计数器溢出中断请求:定时器/计数器0溢出中断（T0）、定时器/计数器1溢出中断（T1），分别在定时器T0、T1溢出时发出中断申请。（3）串行中断（TXD/RXD），一次串行发送/接收完成后，发出中断申请。5个中断均可由软件设定为允许中断或禁止中断。4.1.2.2 MCS-51中断控制中断控制1、 中断允许控制中断允许控制CPU对中断系统所有中断，以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。IE字节地址A8H，位地址为AFHA8H，IE位结构如下表所示：位地址位地址AFHAFHACHACHABHABHAAHAAHA9HA9HA8HA8H位名称位名称EAEAESESET1ET1EX1EX1ET0ET0EX0EX0各位的含义如下： EX0(IE.0)外部中断0允许位。EX0=0，禁止外部中断0中断；EX0=1允许外部中断0中断。 ET0(IE.1)定时/计数器T0中断允许位。ET0=0，禁止T0中断；ET0=1，允许T0中断。 EX1(IE.2)外部中断1允许位。EX1=0，禁止外部中断1中断；EX1=1，允许外部中断1中断。 ET1(IE.3)定时/计数器T1中断允许位。ET1=0，禁止T1中断；ET1=1，允许T1中断。 ES（IE.4）串行口中断允许位。ES=0，禁止串行口中断；ES=1允许串行口中断。 EA (IE.7)CPU中断允许（总允许）位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。 通过EA可以使中断允许形成两级控制，即各中断源首先受EA位的控制其次受各中断源各自的中断允许控制位控制（IE低5位）。2、中断优先级控制、中断优先级控制 MCS-51单片机有两个中断优先级，即可实现二级中断服务嵌套。每个中断源的中断优先级都是由中断优先级寄中断优先级寄存器存器IP中的相应位的状态来规定的，相应位置“1”，为高优先级。相应位置“0”，为低优先级。中断优先级控制寄存器IP的字节地址B8H，位地址BFHB8H，。IP位结构如下表所示：位地址位地址BCHBCHBBHBBHBAHBAHB9HB9HB8HB8H位名称位名称PSPSPT1PT1PX1PX1PT0PT0PX0PX0各位的含义如下： PX0（IP.0）：）：外部中断0优先级控制位. PT0（IP.1）：）：定时/计数器T0优先级控制位. PX1（IP.2）：）：外部中断1优先级控制位. PT1（IP.3）：）：定时/计数器T1优先级控制位. PS（IP.4）：）：串行口优先级控制位.对同时发生多个中断申请时CPU按以下原则处理： 不同优先级的中断同时申请先高后低 相同优先级的中断同时申请事先规定 正处理低优先级中断又接到高级别中断停低转高 正处理高优先级中断又接到低级别中断高不理低 同一优先级中的中断申请不止一个时，则有中断优先权排队问题。同一优先级的中断优先权排队，由中断系统硬件确定的自然优先级形成，其排列如下表所示： 中断源中断源优优先先级级外部中断0（）高定时/计数器（T0）外部中断1（）定时/计数器（T1）串行口低3 3、 中断标志与方式控制寄存器中断标志与方式控制寄存器MCS-51单片机的5个中断源的中断请求信号分别锁存在特殊功能寄存器TCON和SCON中。1）TCONTCON为定时/计数器控制寄存器,字节地址为88H,其中的中断源请求标志位如下表所示：位地址位地址8FH8FH8DH8DH8BH8BH8AH8AH89H89H88H88H位名称位名称TF1TF1TF0TF0IE1IE1IT1IT1IE0IE0IT0IT0各位的含义如下： 定时器定时器/计数器计数器T1的溢出中断请求标志位（的溢出中断请求标志位（TF1）：）：当启动T1计数后，如果T1计数器产生溢出，会由硬件使TF1置1，向CPU发中断请求。如果CPU响应中断请求，会自动由硬件将TF1清零。 定时器定时器/计数器计数器T0的溢出中断请求标志位（的溢出中断请求标志位（TF0）：）：含义与TF1相同。 外部中断外部中断1的中断请求标志（的中断请求标志（IE1）：）：如果检测到外部中断引脚P3.3上存在有效的中断请求信号，就由硬件将IE1置1。如果CPU响应该中断请求，则自动由硬件将IE1清零。 外部中断外部中断0的中断请求标志位（的中断请求标志位（IE0）：）：其含义与IE1类同。 外部中断外部中断1的中断触发方式控制位（的中断触发方式控制位（IT1）：）：IT1为1时，外部中断1为边沿触发方式，若CPU检测到外部中断1的引脚P3.3有由高到低的跳变，就使IE1置1，请求中断。IT1为0时，外部中断1为电平触发方式，若CPU检测到外部中断1的引脚P3.3为低电平，则使IE1置1，请求中断；如果P3.3为高电平，则使IE1置0。 外部中断外部中断0的中断触发方式控制位（的中断触发方式控制位（IT0）：）：其含义与IT1类同。2、SCON两个串行口发送接收中断标志占用了SCON寄存器中的2位（TI和RI）。SCON是串行口控制寄存器，字节地址为98H。SCON寄存器的位格式如下表所示：位位地地址址9999H H9898H H位位名名称称RIRITITI各位的含义如下： 串行口内部串行口内部发送发送中断请求标志位（中断请求标志位（TI）：）：当串行口发送完一个字符后，由内部硬件使发送中断标志TI置位。产生中断请求标志，CPU响应中断时，并不复位TI，TI必须由用户在中断服务程序中用软件清0（如：CLR TI ）。 串行口内部串行口内部接收接收中断请求标志位（中断请求标志位（RI）：）：当串行口接收到一个字符后，由内部硬件使接收中断请求标志位RI置位。产生中断请求标志，同样CPU响应中断时，并不复位RI，RI必须由用户在中断服务程序中用软件清0（如：CLR RI ） 。4.1.2.3 MCS-51中断响应及中断处理过程中断响应及中断处理过程CPU响应中断的条件包括：(1) 中断源有请求，CPU开中断(即IE的EA=1，中断允许寄存器IE相应位置1)。满足这个条件后，单片机CPU在每个机器周期对所有中断源进行检测，并可在任1个周期的S6期间，找到所有有效的中断请求，对其按优先级排队。(2) 无同级或高级中断正在处理。(3) 现行指令执行到最后1个机器周期且已结束。(4) 若现行指令为访问IE、IP的指令或RETI(中断返回指令)，则要求该指令和紧随其后的另一条指令也已执行完毕。1、 MCS-51中断矢量表中断矢量表中断矢量指示中断源的入口地址，CPU一旦响应中断，中断服务程序便从中断矢量地址开始执行。MCS51中断系统的各个中断的中断矢量地址如下 中断源中断源中断矢量地址中断矢量地址外部中断0（）0003H定时器T0中断000BH外部中断1（）0013H定时器T1中断001BH串行口中断0023H2、 MCS-51中断响应的过程中断响应的过程 如果满足中断响应的条件，单片机CPU便在紧接着中断申请的下1个机器周期的S1期间响应中断，否则,将丢弃中断查询的结果。1）CPU响应中断的操作步骤：响应中断的操作步骤：（1）将程序计数器PC的内容（断点地址）压入堆栈。（2）将相应的中断矢量地址（或中断入口地址）装入程序计数器PC，转入相应的中断服务程序，进行中断处理。（3）中断服务程序结束位置，执行一条RETI指令，将堆栈中的断点地址恢复到PC程序计数器中，使程序恢复到断点发生处继续执行。2）中断撤销）中断撤销 在中断服务程序结束之前应撤销中断请求，否则返回后将再一次引起中断。 对于某些中断，中断响应后，计算机将自动清除有关的中断标志位。如：定时器溢出标志TF0，TF1，以及边沿触发方式下的外部中断标志IE0、IE1； 而有些中断标志位不会自动清除，由用户在中断服务程序中软件清除，如：串行口的发送和接收标志TI和RI。 对于电平触发方式下的外部中断标志IE0和IE1，根据INT0和INT1的电平变化，CPU无法直接干预，必须由外部设置硬件清除。3）现场保护）现场保护 MCS-51单片机响应中断后，只保护断点而不保护现场。 所谓的现场，是指如：累加器A、程序状态字PSW、工作寄存器Rn等寄存器在发生中断时的值。 当在中断服务程序中需要使用这些寄存器时，应该在使用之前先将所需要使用的寄存器的内容压栈，在结束中断服务程序之前再将这些寄存器的内容恢复出来，这也就是现场保护。 现场保护时要注意入栈和出站的顺序，要保证一一对应，“对称”使用。否则容易造